新型生物医用钛合金组织与性能研究进展

文章综述了传统生物医用钛材料及新型医用钛合金组织与性能的研究发展现状．重点介绍了围内外对日前热点研究的新型医用β型钛合金在弹性模量、复杂的相转变、超弹性、超细晶制备及组织性能研究方面的进展,为新型医用钛合金的设计、开发及应用提供了参考。     

心血管支架用TLM钛合金性能评价

尽管现已发展成熟的心血管支架用材主要有不锈钢、CoCr合金及NiTi合金,但是不含毒性元素、具有良好生物相容性及高强度低弹性模量的新型β钛合金已成为生物医用材料领域的研究热点。文章概括了新型医用近β型钛合金TLM（Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn）的高强度、低弹性模量及高塑性的力学特征,并对其生物相容性进行了综合评价。基于优异的塑性成形性能和生物力学相容性．TLM钛合金有望成为一种新的心血管支架用材料。     

生物医用钛合金材料的生物及力学相容性

背景：保证生物材料优良的生物及力学相容性是研制开发外科植入物及矫形器械产品的关键,但目前对其研究缺乏系统性和统一性认识。 目的：初步分析生物医用钛合金材料生物及力学相容性的概念、内涵,指导医疗器械产品的选型设计与应用。 方法：应用计算机检索PubMed、Elsiver、Springerlink、CNKI及维普等数据库1995至2012年相关文献,围绕“生物及力学相容性”主题词,探讨合金成分、显微组织及相变控制和材料表面状态优化等因素对钛合金材料生物及力学相容性的影响规律。 结果与结论：生物及力学相容性是一个综合评价概念。进行医用钛合金材料选型设计时,首先要求合金中的组成元素无不良反应,并保证其与组织、血液及免疫和全身反应的安全性,同时要求所添加元素对钛合金的机械性能等其他性能不良影响最小。钛合金中常见的合金化元素主要包括α相稳定元素、β相稳定元素和中性元素3类。要使生物医用钛合金植入材料获得优良的生物及力学相容性,对材料内部显微组织和相变进行控制,以及开展材料表面状态改性优化也至关重要。但不能单纯追求一种钛合金的低模量或高强度等某一单项力学指标与人体骨组织接近或匹配而简单判定其生物力学相容性的优劣。     

β钛合金特性及其在骨科领域的应用现状和研究进展

目前常用于骨科的生物医学金属材料主要有不锈钢、钴铬合金、形状记忆合金、钛合金、贵金属材料等,其中钛合金凭借比重小、比强度高,具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性等特性[1],迅速在骨科领域得到了广泛而深入的发展和应用,成为人工关节(髋、膝、踝、肩、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(螺钉、钢板、髓内钉等)、脊柱内固定系统等骨科用内植入产品的理想材料[2-5].生物医用钛合金按显微组织类型可以细分为α型钛合金(如纯钛系列)、β型钛合金(如Ti-12Mo-6Zr-2Fe等)和α+β型钛合金(如Ti-6Al-4V等)三大类.与α型钛合金、α+β型钛合金相比,β型钛合金不含V和Al两种有毒元素,具有更低的弹性模量、更高的强度以及更好的生物相容性,不易产生“应力屏蔽”现象,因而具有更优异的综合性能,更适于作为植入物植入人体,成为了近年钛合金材料研究的热点.     

钛基植人物生物陶瓷涂层的研究进展

医用钛合金材料属于生物惰性材料,广泛应用于硬组织的替换与修复领域.采用表面改性技术在钛基材料表面制成生物陶瓷涂层可改善钛基材料的生物活性和生物相容性.羟基磷灰石涂层已在临床上获得应用,但使用效果仍然受其较低的结合强度和结晶度所制约.为了获得综合性能更好的植入材料,制备了多种新型生物陶瓷涂层,其具有良好的生物活性、较好的...     

腹腔镜手术悬吊系统的设计与仿真分析

目的 基于现有的气腹装置,在低气压的前提下,设计一款用于微创手术的新型悬吊系统,以暴露更多手术视野,便于手术顺利进行。方法 利用Solidworks软件完成悬吊系统的结构设计,并基于有限元仿真分析技术,研究医用不锈钢、钛合金Ti6Al4V、钛合金Ti6Al7Nb和纯钛4种不同夹子制作材料以及尼龙(polyamide-6,PA6)、涤纶、聚丙烯(polypropylene, PP)3种不同中间平面结构制作材料对悬吊系统使用性能的影响。结果 4种不同材料的夹子在夹持组织过程中,组织的形变量均较低,不会出现所夹持组织从夹子中滑脱的现象。就应力而言,选用医用不锈钢材料时,夹子及其夹持组织的应力均最低;对于中间平面结构的制作材料而言,当选取涤纶材料时,在悬吊系统工作过程中,中间平面结构会在外载荷作用下发生破坏;当选用PP材料时,中间平面结构会发生永久变形,且形变量最高,不利于临床手术的进行。结论 选择医用不锈钢作为夹子的制作材料为最佳。不宜选择涤纶作为中间平面结构的制作材料,选择PA6作为中间平面结构的制作材料为最优。     

β钛合金研究进展及其在骨科中的应用前景

前言 医用钛合金的发展经历了三个阶段:纯钛和六铝四钒钛合金;以Ti-6A1-7Nb和Ti-5A1-2.5Fe为代表的a+β型合金;具有更好生物相容性和更低弹性模量的β钛合金.本文从材料学角度和生物相容性角度重点介绍了新型β钛合金的国内外研究进展.另外,本文还探讨了新型低弹性模量β钛合金在骨科方面的应用前景.     

弹性蛋白在生物医用材料中的应用

弹性蛋白是一种极具发展潜力的天然生物材料,它的特殊的交联、疏水结构赋予它许多优良的性质:良好的弹性、延展性、生物相容性和可生物降解等.目前,弹性蛋白是生物医用材料领域中逐渐被关注的一类材料,可应用于组织工程支架、真皮代替物等生物医用材料中.本文阐述了弹性蛋白作为生物医用材料的特性,对弹性蛋白及其衍生物基生物医用材料的应用现状和发展趋势进行了综述.     

骨科植入物的抗腐蚀性能

背景：源于医用金属材料的电化学溶解,以及与磨损交互作用造成的腐蚀破坏,影响着这些置入材料的使用功能及寿命。 目的：评论骨科植入物的抗腐蚀性能。 方法：以“金属材料,腐蚀,生物相容性;corrode,metal material,orthopedic implants”为关键词,采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关骨科植入物抗腐蚀性应用的文章。 结果与结论：生物医用金属材料包括不锈钢材料、镁及镁合金材料、钛及镍钛合金。目前医用金属材料应用中的主要问题是：由于生理环境的腐蚀,会造成金属离子向周围组织扩散及置入材料自身性质的蜕变,前者可能导致毒副作用,而后者常常导致材料植入失败。因此医用金属材料要满足临床应用,其首要条件是应具有生物相容性和生物安全性,其次是要有良好的耐腐蚀性及力学性能。 关键词：腐蚀;金属材料;生物相溶性;生物材料;植入物 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.09.035     

喷砂预处理钛合金表面类金刚石薄膜的制备及性能研究

目的利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)技术,在不同粗糙度医用钛合金表面制备类金刚石薄膜(diamond-like carbon film,DLC),并对类金刚石薄膜的膜-基结合力、电化学腐蚀行为及生物学行为进行研究,探索基底材料喷砂预处理对于表面制备的类金刚石薄膜是否是一种有效改性方法。方法通过不同粒度的Al2O3在一定条件下喷砂钛合金表面,制备出不同粗糙度表面的钛合金片,采用PECVD技术在其表面制备类金刚石薄膜。通过扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、接触角测量仪、表面性能测试仪和电化学方法检测各组样品的物理化学性能表征;利用MTT比色法、荧光染色法进行薄膜表面生物学行为的评价。结果将DLC沉积在喷砂预处理的钛合金表面,可以明显增强类金刚石的膜-基结合力,最高达到45N;耐腐蚀性研究中,表面沉积DLC的钛合金实验组腐蚀电位均正向大于未沉积DLC的钛合金组(P0.05);生物学行为研究中,在60#Al2O3喷砂处理钛合金表面沉积DLC的S60实验组细胞增殖状况最佳,明显大于未喷砂S0组(P0.05)。结论将钛合金基底喷砂预处理后沉积DLC,可以提高类金刚石薄膜的膜-基结合力、耐腐蚀性及生物相容性,是一种有效的医用钛合金表面改性方法,具有潜在的临床应用价值。     

A scanning electron microscopy study of human osteoblast morphology on five orthopedic metals

Despite the long-standing use of metals as orthopedic implants there still are unsolved problems with these materials and open questions about their behavior in a biological environment. Cell-culture studies provide a useful tool for investigations. In addition to the determination of biochemical or molecular biological parameters, the morphology of adhering cells reflects their interaction with the substrata. This article describes an investigation of the morphology of human osteoblasts on stainless steel, cobalt chromium alloy, commercially pure titanium, Ti-6Al-4V, and Ti-6Al-7Nb with surface designs similar to those used as clinical implants. A cell culture plastic surface was used as a control material. The materials were examined by scanning electron microscopy at different points of time. The cells spread, proliferated, and formed nodules on all test substrates in a time-dependent manner, without signs of a disturbing influence from any of the materials. On the smooth surfaces the cells showed a flattened fibroblast-like morphology and only slight differences could be detected. Therefore, the cellular morphology seems not to be markedly affected by the different chemical material compositions. In contrast, the titanium alloy with a rough, sandblasted surface induced a three-dimensional growth. This three-dimensional cellular network could be the basis for the known earlier differentiation of osteoblasts on rough surfaces in vitro and a better osseointegration in vivo.     

壳聚糖-酪蛋白磷酸肽修饰钛合金表面的成骨细胞黏附与增殖

背景：钛合金表面只有吸附某些有机分子才能使生长因子活化,促进细胞增殖,从而激活周围的骨细胞发挥作用。 目的：在钛合金种植体表面制备生物活性涂层,寻找一种有效促进骨整合的方法。 方法：采用多步组装方法在硅烷偶联剂修饰的钛合金表面依次接枝壳聚糖与0,5,10 g/L的酪蛋白磷酸肽,形成生物活性复合涂层,以未修饰的钛合金为对照。将经过不同处理的钛合金与成骨细胞共培养,利用细胞计数法、荧光染色法、MTT比色法评价涂层的生物学性能。 结果与结论：与未修饰的钛合金相比,在壳聚糖上接枝酪蛋白磷酸肽后,钛合金表面成骨细胞的早期黏附与增殖明显提高  (P < 0.05),并且随酪蛋白磷酸肽质量浓度的增大促进作用显著增强(P < 0.05)。说明制备的壳聚糖-酪蛋白磷酸肽复合涂层可以显著提高成骨细胞的功能,增强钛合金的生物学性能,有望成为有效促进骨整合的方法。     

钛种植体表面改性策略及对骨整合的影响

背景：纯钛因具有优良的生物相容性、机械性能和与骨组织相近的弹性模量等被广泛应用于口腔种植领域。 目的：综述近年来钛金属种植体材料表面物理改性、化学改性和生物化学改性策略的研究进展。 方法：以“titanium,implant,surface modification,osseointegration”为检索词,检索PubMed数据库,以“钛,种植体,表面改性,骨整合”为检索词,检索中国知网数据库,限定时间范围为2007年1月至2013年2月。文献检索语种为英文和中文。纳入内容与钛种植体表面改性方法及其对骨整合影响密切相关的文献,排除重复文献。 结果与结论：计算机初检得到199篇文献,根据纳入排除标准,对其中76篇文献进行分析。钛种植体本身是生物惰性材料,通过表面改性对钛金属表面进行活化处理,使之具有生物功能性,与骨组织形成早期骨整合,是国内外口腔种植材料研究的热点问题。物理改性、化学改性和生物化学改性可缩短钛种植体种植周期,获得早期骨整合和更高的结合强度。今后的发展趋势是将多种改性方法有机结合,从分子水平深入研究钛金属材料表面与机体细胞和组织之间的界面分子作用机制,完善种植体的表面改性技术,实现种植体和骨组织的早期和更加稳定的骨整合。     

Ti基生物医用材料表面K2Ti6O13涂层的制备与表征

目的 新型表面改性技术和改性材料的开发是当今生物医学材料研究的主要方向，羟基磷灰石(HA)是一种最重要的表面改性材料，但较高的脆性和较低的结合强度严重制约了它在临床中的应用。方法本研究首次选用K，Ti6O13作为生物医用Ti合金的表面改件材料，利用KDC法尝试制备了K2Ti6O13涂层，并对涂层的微结构、结合强度和生物活性进行了观察分析与评估。结果利用KDC方法可以成功地原位合成K2Ti6O13涂层，涂层与钛合金基体间结合牢固，结合强度可达24MPa，热膨胀系数的良好匹配是结合强度提高的主要原因。结论涂层粗糙的表面和气孔可为骨的向内生长提供有利位置。经模拟体液浸泡，涂层表面形成了钙磷比接近人体骨骼的钙磷层，表明涂层具有良好的生物活性。     

人工关节改性材料的生物摩擦学研究

目的　研究不同人工关节材料的改性技术及生物摩擦学性能,为新型人工关节设计提供可靠的技术与理论基础。方法　选用表面渗碳、微弧氧化和氮离子注入技术对钛合金表面进行改性,以提高其耐磨损性能;超高分子量聚乙烯则采用填充改性技术,制备了UHMWPE/BHA、UHMWPE/NC和UHMWPE/VE复合材料,通过提高UHMWPE关节假体的承载能力和蠕变抗力,降低其磨损率;以聚乙烯醇（PVA）为基体材料,选用纳米羟基磷灰石（HA）为增强剂,制备了PVA/HA复合仿生人工软骨材料,考察了其摩擦学特性。结果　(1) 钛合金的表面改性可获得结合性能良好的表面陶瓷层,可有效提高钛合金的耐磨损性能。（2）超高分子量聚乙烯的填充改性,可获得耐磨损性能良好的关节复合材料,有效减少超高分子量聚乙烯磨损颗粒的产生并降低其磨损颗粒引起的生物学反应     

聚醚醚酮内植物骨整合改性的研究进展

聚醚醚酮（PEEK）材料因有着诸多优点而在骨缺损修复等医学领域得到越来越多的关注和应用,同时对于克服其生物惰性,提高其骨整合性能的改性研究成为热点。本文通过查阅国内外关于PEEK材料骨整合改性的相关文献,综述了近年来对骨科植入物PEEK材料进行改性以提高其骨整合性能的相关研究现状,并重点从改性原理的角度进行总结。     

钛植入物促骨整合及抗感染涂层的研究进展

钛及其合金具有稳定的化学性质和良好的人体亲和性,常被作为骨科植入材料,但未经处理的钛植入物易发生骨整合不良和植入物周围感染导致植入失败。近年来,人口老龄化加剧带动植入材料使用量增加,亟需性能更好的钛表面修饰方法以降低植入失败率。理想的骨科植入物应同时具备促成骨和抗菌特性,但目前大量表面改性策略只解决其中一种问题,导致植入物无法达到预期效果。因此,植入材料涂层需满足这两种特性或在两者间寻找平衡点。综述近几年来解决钛植入物无菌性松动或感染问题的最新策略,如表面形貌改善和生物分子涂层等促进成骨,抗菌药物负载和光热治疗等防治感染措施,并通过双因素整合和三因素整合进一步介绍了同时解决这两个问题的研究进展。     

钛及钛合金表面生物活性改性及效果评价

背景：钛及钛合金是常用的医用生物材料,其具有良好的生物相容性,但其缺乏骨诱导的能力,其与骨组织之间只是一种机械性的接触。 目的：概述钛及其合金表面生物活性改性的方法及对于改性后效果评价的方法,为临床应用提供参考。 方法：应用计算机检索PubMed数据库,CNKI数据库中关于钛及钛合金表面生物活性改性的文章,英文检索词为“titanium,titanium alloy,coating,bioactivity,bone”,限定文献语言种类为“English”,中文检索词为“钛,钛合金,涂层,活性改性,骨组织”,限定文献语言种类为中文。 结果与结论：在表面生物活性改性的方法中,主要有等离子体喷涂法、微弧氧化法、溶胶-凝胶法及生物仿生法等。钛及钛合金表面的活性涂层已经从单一涂层发展到复合涂层、梯度涂层、纳米梯度涂层,同时多种改性技术的联合运用,也让钛及其合金表面的涂层性能更加完善。对于改性后的效果研究,主要以模拟体液浸泡、成骨细胞培养,亲骨荧光素染色及放射影像学观察为主。对钛及钛合金进行表面生物活性改性是个复杂的工程,既要考虑改性后涂层骨诱导的能力,同时也需要兼顾涂层与基体结合强度的问题。只有对涂层组层进一步研究并利用多种技术对钛及钛合金表面进行处理,才能使其表面的涂层活性更高,并且结合牢固。     

Effect of nanofiber-coated surfaces on the proliferation and differentiation of osteoprogenitors in vitro

The osteoconductive property of titanium (Ti) surfaces is important in orthopedic and dental implant devices. Surface modifications of Ti have been proposed to further improve osseointegration. In this study, three different materials, silicon (Si), silicon oxide (SiO(2)), and titanium oxide (TiO(2)), were used to construct nanofibers for surface coating of Ti alloy Ti-6Al-4 V (Ti alloy). MC3T3-E1 osteoprogenitor cells were seeded on nanofiber-coated discs and cultured for 42 days. DNA, alkaline phosphatase, osteocalcin, and mineralization nodules were measured using PicoGreen, enzyme-linked immunosorbent assay, and calcein blue staining to detect the attachment, proliferation, differentiation, and mineralization of MC3T3-E1 cells, respectively. The results demonstrated that the initial cell attachments on nanofiber-coated discs were significantly lower, although cell proliferation on Si and SiO(2) nanofiber-coated discs was better than on Ti alloy surfaces. TiO(2) nanofibers facilitated a higher cellular differentiation capacity than Ti alloy and tissue culture-treated polystyrene surfaces. Thus, surface modification using nanofibers of various materials can alter the attachment, proliferation, and differentiation of osteoprogenitor cells in vitro.